特許 7216182 ヘッドマウントディスプレイ及びこの種のヘッドマウントディスプレイを備えたアミューズメント装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-23

(45)【発行日】2023-01-31

(54)【発明の名称】ヘッドマウントディスプレイ及びこの種のヘッドマウントディスプレイを備えたアミューズメント装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20230124BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20230124BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021500145

(86)(22)【出願日】2019-08-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-11-11

(86)【国際出願番号】 EP2019073213

(87)【国際公開番号】W WO2020043879

(87)【国際公開日】2020-03-05

【審査請求日】2021-01-05

(31)【優先権主張番号】102018121258.5

(32)【優先日】2018-08-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】517168875

【氏名又は名称】ファオエル コースター ゲーエムベーハー ウント コー．カーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＶＲ Ｃｏａｓｔｅｒ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】ファウル、トーマス

【審査官】近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－３１１９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１２９１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５７２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０４６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１９３０４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１９７４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１２７４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２４２４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３４５１９８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０２

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＨＭＤ（１）であって、
内部（１１）を備えたハウジング（１０）と、
焦点（１６、１８）において前記ハウジング（１０）の前記内部（１１）に位置する焦点面（５）を備えた少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）と、
第１の偏光方向を有する少なくとも１つの第１の偏光フィルタ（２１）および第２の偏光方向を有する第２の偏光フィルタ（２２）と、
少なくとも１つのＬＣＤユニット（２５）とを備え、
前記少なくとも１つのＬＣＤユニット（２５）は、前記第１の偏光フィルタ（２１）と前記第２の偏光フィルタ（２２）との間の前記焦点面（５）の領域内に配置され、
前記第１の偏光フィルタ（２１）および前記第２の偏光フィルタ（２２）のうち少なくとも１つは、前記焦点面（５）から所定の距離だけ離れて配置され、
前記少なくとも１つの第２の偏光フィルタ（２２）が、前記少なくとも１つのＬＣＤユニット（２５）に対向する前記少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）の側に配置され、
前記少なくとも１つの第２の偏光フィルタ（２２）が、光の屈折を回避するために前記少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）と該少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）から等距離にある前記少なくとも１つのＬＣＤユニット（２５）との間に配置されるとともに、前記少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）を通過する光線（Ｌ）が前記少なくとも１つの第２の偏光フィルタ（２２）を直角に通過するように前記少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）に対応する曲率を有し、
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とが同じではない、ＨＭＤ（１）。

【請求項2】

前記ＬＣＤユニット（２５）と前記第１の偏光フィルタ（２１）および前記第２の偏光フィルタ（２２）のうち少なくとも１つとの間に分離ギャップ（２０）が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のＨＭＤ（１）。

【請求項3】

バックライト（２９）が、前記光学レンズ（１５、１７）とは反対側の前記ＬＣＤユニット（２５）の側に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＨＭＤ（１）。

【請求項4】

前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とが９０度回転していることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載のＨＭＤ（１）。

【請求項5】

前記ハウジング（１０）の前記内部（１１）が前記少なくとも１つの光学レンズ（１５、１７）によって閉鎖されることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一項に記載のＨＭＤ（１）。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れか一項に記載のＨＭＤ（１）であって、
ＨＭＤ（１）は、異物に対する保護等級ＩＰ４Ｘ以上、およびＩＰＸ４以上の防水の保護等級のうち少なくとも１つを有する、ＨＭＤ（１）。

【請求項7】

請求項１乃至６の何れか一項に記載のＨＭＤ（１）を少なくとも１つ備えたアミューズメント装置（２）。

【請求項8】

前記アミューズメント装置（２）は、屋外の娯楽用の乗り物、ジェットコースターまたはカルーセルである請求項７に記載のアミューズメント装置（２）。

【請求項9】

前記ＨＭＤ（１）が有線インターフェースを介して前記アミューズメント装置（２）に接続されていること、または前記ＨＭＤ（１）が無線インターフェースを介して前記アミューズメント装置（２）に接続されていることを特徴とする、請求項７又は８に記載のアミューズメント装置（２）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、屋内および屋外での使用のための改善された特性および自然光からの放射線に対する改善された耐性を有する、請求項１に記載の特徴を有するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ－Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）に関する。さらに、本発明は、アミューズメント装置、特に、少なくとも１つのそのようなヘッドマウントディスプレイを有する、屋外の娯楽用の乗り物、ジェットコースターまたはカルーセルに関する。

【背景技術】

【0002】

ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと呼ぶ）は、従来技術から様々な構成で知られており、ユーザの視野内に人工的に生成された表現を表示するために使用される。この目的のために、ＨＭＤは、人の目の前の頭に配置または取り付けることができ、画像は、人の視野内の可能な限り広い領域をカバーすることができる。この種のディスプレイデバイスは、主にＶＲ眼鏡の分野で仮想現実を生成するために使用される。この場合、仮想現実の表現は、人の頭の動きと同期したＶＲ眼鏡の位置および／または向きに基づいてリアルタイムで適合させることもできる。さらに、光学的な現実をカメラで記録し、拡張現実感の効果をもたらすことにより、ヘッドマウントディスプレイの表現を拡張することができる。

【0003】

ＨＭＤには通常、内部を有するハウジングを含む。内部には、２つの部分からなるディスプレイユニットまたは２つのディスプレイユニットがあり、その表現は、目ごとに１つの光学レンズを介して人が捉えることができる。各ディスプレイユニットは、通常、バックライト、第１の偏光子、ＬＣＤユニット、および第２の偏光子を備える。ＬＣＤユニットは２つの電極を備えており、２つの電極は互いに反対側に配置されており、電極間に配置された液晶に影響を与えて、液晶を放射する光の偏光を回転させることができる。

【0004】

ＬＣＤユニットから出る光の偏光に応じて、バックライトからの光線は第２の偏光フィルタから出射し、それに応じて人の目で知覚することができる。
そのようなＨＭＤの使用は、先行技術においてそれ自体が証明されている。特にＨＭＤの使用のために、例えば、アミューズメント装置、特に屋外の娯楽用の乗り物、ジェットコースター、カルーセルなどの体験価値を高める多くのアプリケーションが開発されてきた。このようなアミューズメント装置は、閉鎖空間の外に配置されることが多く、ＨＭＤをあらゆる種類の環境条件に晒す。可能な広い温度範囲に加えて、すべての気象条件でアミューズメント装置でＶＲ体験を可能にするために、ＨＭＤは防塵および防湿でなければならない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来技術から知られているＨＭＤが、特にＨＭＤが閉鎖空間の外で使用される場合だけでなく、ＨＭＤが窓の後ろの内側に保管される場合にも日光に晒される場合にも、ディスプレイユニット上における永久光のスポットの形で損傷を受けることは不利であることが分かっている。ＨＭＤが日光の照射される領域に配置されると、光は光学レンズを透過してＨＭＤのハウジングの内部に入り、ディスプレイユニットを破壊することがわかっている。太陽光が光学レンズによって集束され、焦点の領域に集中するようにディスプレイユニットに当たることによって、ディスプレイユニットが熱により破壊される。

【0006】

これが本発明の始まりである。
本発明は、改良されたＨＭＤを提供するという目的に基づいており、改良されたＨＭＤは、従来技術から知られているＨＭＤの欠点をうまく排除し、屋外での使用に適し、特にアミューズメント装置、ジェットコースターおよびカルーセルだけでなく、家庭での屋内使用にも適している。本発明によるＨＭＤは、直射日光に無反応であるべきである。一般に、アミューズメント装置の乗客などの人がアミューズメント装置の体験の前後にＨＭＤを着脱するときはいつでも、またＨＭＤが屋内の窓の前に置かれているとき、または光の強度が高い空間内に置かれているときには、太陽光線がＨＭＤに入射する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、これらの目的は、請求項１に記載の特徴を有するＨＭＤによって達成される。さらに、これらの目的は、本発明により、請求項７に記載の特徴を備えたアミューズメント装置によって達成される。

【0008】

従属請求項は、本発明のさらに有利な改善を含む。
本発明によるＨＭＤは、内部を有するハウジングと、焦点に位置する焦点面を有する少なくとも１つの光学レンズであって、該焦点面が前記ハウジング内に配置される、少なくとも１つの光学レンズと、第１の偏光方向を有する少なくとも１つの第１の偏光フィルタと、第２の偏光方向及び少なくとも１つのＬＣＤユニットを有する第２の偏光フィルタとを備え、前記少なくとも１つのＬＣＤユニットは、前記第１の偏光フィルタと前記第２の偏光フィルタとの間の前記焦点面の領域内に配置され、前記第１の偏光フィルタおよび／または前記第２の偏光フィルタは、前記焦点面または前記ＬＣＤユニットから所定の距離だけ離れて配置され、かつ熱的に分離されている。

【0009】

本発明によるＨＭＤは、入射光線が光学レンズによって集光され、前記ＬＣＤユニットを破壊しないが、前記第１の偏光フィルタおよび／または前記第２の偏光フィルタのみが熱の影響によって損傷を受ける、という驚くべき知見に基づいている。したがって、本発明によるＨＭＤは、第１の偏光フィルタおよび／または第２の偏光フィルタを、焦点に位置する焦点面から所定の距離だけ離れた位置に配置する手段に基づくものである。その結果、入射光線に起因する熱負荷は、ＨＭＤが損傷や障害を受けることなく太陽光に晒される程度まで低減される。

【0010】

本発明のさらに有利な設計は、トレンドカラムが、ＬＣＤユニットと第１の偏光フィルタおよび／または第２の偏光フィルタとの間に配置されることを提供する。トレンドカラムは、第１の偏光フィルタおよび／または第２の偏光フィルタの熱的および／または機械的な分離に使用される。その結果、一方では、第１の偏光フィルタおよび／または第２の偏光フィルタと光学レンズの焦点面との間に十分な距離が設定され、他方では、ＬＣＤユニットと関連する偏光フィルタとの間の熱伝達が低減される。トレンドカラムは、特に好ましくはガス状媒体で満たされ、ハウジングの内部全体が特に好ましくはガス状媒体で満たされている。媒体はより好ましくは非反応性気体であるが、洗浄ガス、工業用ガスまたはガス混合物が好ましい。

【0011】

本発明のさらに好ましい設計によれば、前記少なくとも１つの第２の偏光フィルタが、前記少なくとも１つのＬＣＤユニットと前記少なくとも１つの光学レンズとの間に配置され、前記少なくとも１つの第２の偏光フィルタと前記少なくとも１つのＬＣＤユニットとの間の距離は、前記少なくとも１つのＬＣＤユニットと前記少なくとも１つの光学レンズとの間の距離の少なくとも２５分の１、または光学レンズの焦点長の少なくとも２５分の１である。前記光学レンズの前記焦点距離と前記偏光フィルタとの間のわずかな距離でさえ、前記レンズを通して入射する光線が偏光フィルタに及ぼす熱的影響を低減するのに十分であり、ＨＭＤを着用している人によって知覚される表示画像の表現に影響を与えないことが見出された。

【0012】

前記少なくとも１つの第２の偏光フィルタが、前記少なくとも１つのＬＣユニットに対向する前記少なくとも１つの光学レンズの側に配置される場合に有利であることが見出された。この目的のために、前記第２の偏光フィルタは、前記光学レンズ上に直接適用または配置されてもよく、あるいは前記光学レンズ内に配置されてもよい。特に、光の屈折を回避するために、前記少なくとも１つの光学レンズと該光学レンズから等距離にある前記ＬＣＤユニットとの間に前記偏光フィルタを配置することが有利であることが証明されている。したがって、前記光学レンズを通過する光線は、前記偏光フィルタに直角に当たるか通過する。

【0013】

本発明の別の有利な実施形態は、前記第１の偏光フィルタの前記第１の偏光方向と前記第２の偏光フィルタの前記第２の偏光方向が同じではないことを提供する。前記第１の偏光フィルタおよび前記第２の偏光フィルタが線形偏光フィルタであり、前記第１の偏光方向が前記第２の偏光方向に対して垂直に向けられている場合が特に好ましい。

【0014】

前記ハウジングの内部が前記少なくとも１つの光学レンズによって閉鎖されている場合、特に屋外空間または屋外でのアミューズメント装置の使用に有利であることが証明されている。本発明によれば、前記ＨＭＤは、例えば雨のような飛沫水とほこりから十分に保護されるべきであり、アミューズメント装置で再利用するための簡単な洗浄プロセスで消毒または洗浄され得る。したがって、一方では、アミューズメント装置での迅速で衛生的に安全な再利用を達成することができ、他方では、生成された表現に悪影響を与える異物がハウジングの内部に侵入することはできない。

【0015】

屋外用ハウジングが少なくともＩＰ４Ｘ規格に対応している場合は特に有利であり、異物に対するＩＰ４Ｘよりも高い保護規格が特に好ましい。保護規格が少なくともＩＰ６ｋＸに対応していることが好ましい。さらに、屋外で使用するためのＨＭＤが、少なくともＩＰＸ４、より好ましくは少なくともＩＰＸ４ｋ、より好ましくはＩＰＸ６に対応する防水の保護等級が、特に有利である。

【0016】

本発明の別の態様は、アミューズメント装置、特に屋外アミューズメントライド、ジェットコースターまたはカルーセルだけでなく、少なくとも１つのＨＭＤを備えた、屋内および屋外での家庭用のアミューズメント装置に関する。ＨＭＤは、好ましくはＶＲ眼鏡として使用され、内部を有するハウジングは、焦点に位置する焦点面を有する少なくとも１つの光学レンズを備え、この焦点面は、ハウジングの内部に配置される。加えて、ＨＭＤは、第１の偏光方向を有する少なくとも１つの第１の偏光フィルタと、第２の偏光方向を有する第２の偏光フィルタとを備え、前記少なくとも１つのＬＣＤユニットは、前記第１の偏光フィルタと前記第２の偏光フィルタとの間の前記焦点面の領域内に配置され、前記第１の偏光フィルタおよび／または前記第２の偏光フィルタは、前記焦点面から離れて配置され、かつ熱的に分離されている。本発明によるＨＭＤを備えたアミューズメント装置は、ＨＭＤの対応する設計のおかげで、本発明によるＨＭＤの期待される耐用年数が大幅に延びているため、特に経済的に運用することができる。ＨＭＤは、アミューズメント装置で使用した後に経済的に洗浄または消毒されて衛生的であるので、アミューズメント装置で迅速に再利用可能である。

【0017】

本発明のさらに有利な設計によれば、ＨＭＤは、有線および／または無線インターフェースによってアミューズメント装置に接続され、アミューズメント装置は、特定のＨＭＤに表示される仮想現実を生成する中央データ処理システムまたは複数の分散型データ処理システムを有する。本発明によるアミューズメント装置が、乗客による使用後にＨＭＤを洗浄または消毒することができる手段を含む場合、特に有利である。

【0018】

本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、仮想現実の立体表現用に設計されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の概略的な部分断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１は、人の頭（図示せず）上に配置されるように設定された、ヘッドマウントディスプレイ１（以下、ＨＭＤ１と呼ぶ）の概略図を示す。ＨＭＤ１は、例えば、ＶＲ眼鏡であり得、人の現在の視野における光学的現実を、より好ましくは人工的に生成された表現の好ましくは立体的表現、いわゆる仮想現実に置き換えることができる。

【0021】

この目的のために、ＨＭＤ１は、例えば固定手段（図示せず）によって人の頭または体に固定することができ、視野がハウジング１０によって完全に覆われるように、視野が人の目の前に配置されるハウジング１０を備える。

【0022】

ハウジング１０は、好ましくは、ポットの形状に設計され、２つの光学レンズ１５、１７を含み、各光学レンズ１５、１７は、人の片方の目にそれぞれ割り当てられる。ハウジング１０は、異物、特にほこりおよび水、特に飛沫水または雨に対して２つの光学レンズ１５、１７によって密封されている内部１１を取り囲んでいる。

【0023】

図示される実施形態の例では、２つの光学レンズ１５、１７は収束レンズであり、各光学レンズ１５、１７は焦点面５上に位置する焦点面１６、１８を有し、光学レンズ１５、１７はハウジング１０の内部１１において該内部１１に対向する側に配置されている。

【0024】

ハウジング１０の内部１１には、周囲から保護された、第１の偏光方向を有する少なくとも１つの第１の偏光フィルタ２１と、ＬＣＤユニット２５と、第２の偏光方向を有する第２の偏光フィルタ２２と、バックライト２９とが設けられている。バックライト２９から放射された光線Ｌは、最初に第１の偏光フィルタ２１に到達し、光線Ｌが光学レンズ１５、１７に到達する前に、ＬＣＤユニット２５および第２の偏光フィルタ２２を照射する。第１の偏光フィルタ２１および第２の偏光フィルタ２２は線形偏光フィルタであり、第１の偏光方向および第２の偏光方向は互いに対して回転しており、第１の偏光方向は好ましくは第２の偏光方向に対して９０度回転している。

【0025】

バックライト２９が非偏光を放出する間、バックライト２９によって放出された光は、光を一偏光方向に直線的に偏光する第１の偏光フィルタ２１を最初に通る。この光は、第１の電極２６と第２の電極２７とからなるＬＣＤユニット２５に続く。第１の電極２６と第２の電極２７との間に液晶２８が配置され、第１および第２の電極２６、２７の通電に依存して、結晶が光の偏光面を回転させるため、電極２６、２７の通電に応じて光の偏光に影響を与えることができ、光が第２の偏光フィルタ２２を透過するかどうかを設定することができる。

【0026】

人のために生成された表現が十分な鮮明さで知覚できることを保証するために、ＬＣＤユニット２５は、関連する光学レンズ１５、１７の焦点１６、１８の領域内に配置されなければならない。

【0027】

図１に例示される実施形態では、第１の偏光フィルタ２１は、バックライト２９に対向するＬＣＤユニット２５に直接隣接して配置されている。対照的に、第２の偏光フィルタ２２は、ＬＣＤユニット２５および焦点面５から離れて配置されている。ＬＣＤユニット２５と第２の偏光フィルタ２２との間にトレンドギャップ２０が形成されているため、第２の偏光フィルタ２２がＬＣＤユニット２５から熱的および機械的に分離されている。熱的な分離は、高い熱抵抗を介して、ＬＣＤユニット２５と第２の偏光フィルタ２２との間で熱が伝達されるのを防ぐ。

【0028】

第２の偏光フィルタ２２とＬＣＤユニット２５との間のトレンドギャップ２０は、媒体（図示せず）、特に好ましくは気体媒体で満たされてもよい。媒体は、より好ましくは、非反応性ガスまたは熱伝導率の低いガス混合物である。

【0029】

焦点面５またはＬＣＤユニット２５と第２の偏光フィルタ２２との間の距離Ａは、好ましくは、焦点距離Ｆの少なくとも２５分の１、すなわち焦点面と関連する光学レンズ１５、１７との間の距離の少なくとも２５分の１であり、焦点面５と第２の偏光フィルタ２２との間の距離Ａは、必要に応じて大きく設計することができる。したがって、Ａは≧１／２５＊Ｆである必要がある。

【0030】

例えば、第２の偏光フィルタ２２もＬＣＤユニット２５に対向する光学レンズ１５、１７の側に直接配置され得る。第２の偏光フィルタ２２は、光学レンズ１５、１７を通過する光線Ｌが常に第２の偏光フィルタ２２を垂直に通過するように設計され、その結果、光の屈折が低減されることが特に好ましい。これは、特に、第２の偏光フィルタ２２が光学レンズ１５、１７に対応する曲率を有する場合に達成される。

【0031】

ＨＭＤ１は、適切なセンサーシステムを備えることができ、それによって、人の動きまたは人の頭の動きを検出することができる。さらに、ＨＭＤ１は、ＨＭＤ１が仮想現実を生成するアミューズメント装置２のデータ処理システムに接続可能な無線および／または有線インターフェースを有することができる。本発明によれば、データ処理システムは、特に好ましくは、対応するＨＭＤ上で再現されるアミューズメント装置固有の仮想現実を生成することができる。

【符号の説明】

【0032】

１…ＨＭＤ
２…アミューズメント装置
５…焦点面
１０…ハウジング
１１…内部
１５…レンズ
１６…焦点
１７…レンズ
１８…焦点
２０…トレンドギャップ
２１…第１の偏光フィルタ
２２…第２の偏光フィルタ
２５…ＬＣＤユニット
２６…第１の電極
２７…第２の電極
２８…液晶
２９…バックライト
Ａ…距離
Ｆ…１５、１７の焦点距離
Ｌ…光線

【図1】